悖牛川大柳塔段暴雨洪水特性與河勢分析

王 嬌

(神木市水利水電工作隊，陜西 榆林 719399)

1 概 況

神木市大柳塔鎮(zhèn)有東川礦業(yè)有限公司、麻溝蜂窩渠煤礦等，面積約11.2297 km2。其中東川礦業(yè)有限公司位于神木市悖牛川河道右岸特嘛溝至郭家灣大橋區(qū)間，河道長度約13.60 km，受悖牛川河道洪水威脅較大。為了加快神木縣大柳塔東川礦業(yè)有限公司整合區(qū)煤炭資源步伐，保障當?shù)匕踩?，需在左岸三界塔村至王家?1.13 km、右岸特麻溝溝口北端至郭家灣大橋4.90 km建設(shè)防洪工程。為確保工程科學設(shè)計，需對悖牛川大柳塔段防洪區(qū)不同頻率下的洪水量級和河勢演變進行分析計算。

2 河道現(xiàn)狀及防洪分析

2.1 河流水系

悖牛川發(fā)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市的神山溝，流域面積2274 km2，干流總長108.6 km，河道平均比降3.33‰，其中陜西省境內(nèi)流域面積724 km2，河長38.7 km，河道比降2.6‰，在神木縣店塔注入窟野河[1]，是窟野河左岸的一級支流。此次規(guī)劃治理河段屬悖牛川中下游河段，具有山區(qū)性河流的典型特征，其海撥高程在1044～1086 m之間。由于沿程地形險峻、陡峭，加之地質(zhì)構(gòu)造和巖性的變化，使得河道形成節(jié)狀型，河岸階地明顯，比降為3.072‰。

2.2 防洪現(xiàn)狀

經(jīng)過調(diào)查，悖牛川下游河段已建成的工程包括小型抽水站一座及相應堤防工程一處，抽水站在2+100以南，站址長30 m，漿砌石防洪堤長198 m。左岸屬府谷縣大昌汗和老高川兩個鄉(xiāng)鎮(zhèn)管轄，有建成的防洪堤防3.2 km；右岸為神木縣管轄，有建成防洪堤2.4 km。兩處堤防均不在堤線位置，壓縮了河道行洪斷面，利用價值低。

3 暴雨洪水特性與水文分析

3.1 暴雨洪水特性

(1)窟野河暴雨洪水特性。流域暴雨發(fā)生日期最早在4月，最遲到10月，主要發(fā)生在7—8月。一次暴雨歷時約為2～3 d，最大暴雨期為24 h左右，其主雨峰約為12 h?？咭昂恿饔虮┯辏搭愋头咒h面雨和雷暴雨兩種：前一種特點是歷時長，強度均勻，籠罩面積大。例如1978年8月31日暴雨，歷時達24 h；后一種特點是雨量集中，歷時短，強度大，籠罩面積小。例如1979年8月10日暴雨，主要集中在悖牛川中下游地區(qū)。流域洪水主要由暴雨形成，暴雨的時空分布與下墊面的產(chǎn)匯流條件決定該流域的洪水特性。

(2)悖牛川暴雨洪水特性。悖牛川大柳塔防洪工程所在地屬中溫帶干旱、半干旱大陸性季風氣候[2]，年降水量380～410 mm左右，降雨主要出現(xiàn)在7—8月，約占全年降水量的70%～80%。其洪水漲落平穩(wěn)，一般以單峰洪水為主，峰型較胖，一場洪水一般在1～2 d左右。由于悖牛川流域位于毛烏素沙漠東南邊沿，陜北黃土高原的東北部，屬于沙漠風積型地貌，沙丘連綿，土地寬闊平緩，流域形似掌狀，因此流域匯流時間相對較長。

3.2 參證站的選擇及洪水選樣

悖牛川大柳塔段上游有新廟水文站，距工程處10 km，控制流域面積1527 km2。新廟水文站建于1966年[3]，有52 a實測水文資料?？咭昂由嫌卧阢Ｅ４▍R入前稱烏蘭木倫河，上游1985年1月設(shè)阿騰席熱水文站，控制流域面積338 km2；1986年5月設(shè)石圪臺水文站，1992年撤銷，該站控制流域面積2169 km2；烏蘭木倫河悖牛川入?yún)R口上游有王道恒塔水文站，1958年10月設(shè)立，控制流域面積3839 km2。石圪臺站僅有1年半觀測資料；阿騰席熱站設(shè)于1985年，資料年限較短；因此整治河段設(shè)計斷面洪水本次以悖牛川新廟站為設(shè)計依據(jù)站、以烏蘭木倫河王道恒塔站為參證站分析計算。

用年最大值法，對悖牛川新廟水文站、烏蘭木倫河王道恒塔水文站實測資料進行洪峰流量選樣，即每年只選取一個最大瞬時洪峰流量，作為頻率計算樣本。

3.3 洪水分析

3.3.1 洪水資料的還原

新廟水文站以上無大中型蓄水調(diào)節(jié)工程，洪水資料可視為天然系列，無需還原?？咭昂由嫌螢跆m木倫河2004年11月建成烏蘭木倫水庫。烏蘭木倫水庫控制流域面積328 km2，總庫容9880萬m3，當大于190 m3/s時開始排沙運行方式，可將1000 a一遇和100 a一遇的入庫洪峰9120 m3/s、5340 m3/s削減為3380 m3/s、2170 m3/s；據(jù)設(shè)計單位分析，壩址以上洪量約占王道恒塔站洪峰的10%，在構(gòu)成中烏蘭木倫水庫的影響也應很小，故可以忽略，不再還原。據(jù)陜西省歷史洪水資料匯編，烏蘭木倫河王道恒塔1946年發(fā)生了大洪水，但由于斷面形態(tài)變化很大，難以確定當時的斷面，故無法定量分析。

3.3.2 水文站洪水頻率計算

(1)悖牛川新廟站。根據(jù)新廟站1966～2007年42 a實測洪峰流量資料，經(jīng)驗頻率按連序系列計算，統(tǒng)計參數(shù)用矩法計算，作為初試值，偏態(tài)系數(shù)采用Cs=2.5Cv，采用P-Ⅲ型曲線目估適線，見圖1，統(tǒng)計參數(shù)及不同頻率洪峰流量見表1。

表1 悖牛川新廟站設(shè)計洪水計算成果 m3/s

圖1 悖牛川新廟站年最大洪峰流量頻率曲線

(2)烏蘭木倫河王道恒塔站。根據(jù)王道恒塔水文站 52 a實測洪峰流量資料，經(jīng)驗頻率按連序系列計算，統(tǒng)計參數(shù)用矩法計算，作為初試值，偏態(tài)系數(shù)采用Cs=2.0Cv，采用P-Ⅲ型曲線，目估適線，見圖2，統(tǒng)計參數(shù)及不同頻率洪峰流量見表2。

圖2 烏蘭木倫河王道恒塔站年最大洪峰流量頻率曲線

m3/s

(3)合理性分析。王道恒塔站流域面積大于新廟站，其中平均最大洪峰流量1980 m3/s大于新廟站1520 m3/s，兩站Cv值分別為1.35、1.20，Cs/Cv介于2.0～2.5，均符合參數(shù)的地區(qū)分布規(guī)律，由以上分析可知成果基本合理。

3.3.3 工程河段設(shè)計洪水計算

悖牛川大柳塔防洪工程長約16.3 km，設(shè)計上斷面為支流大昌汗溝匯入處，控制流域面積1598 km2，下斷面控制流域面積1781 km2；以新廟水文站、王道恒塔水文站洪水計算成果，按面積比擬法，洪峰指數(shù)為2/3，計算設(shè)計斷面不同頻率洪峰流量，其結(jié)果見表3。

表3 整治河段設(shè)計斷面洪水成果表 m3/s

從表3可以看出，新廟水文站計算成果比王道恒塔水文站計算成果偏大22.9%～24.4%。因為新廟水文站就在悖牛川上，和工程處洪水特性一樣，其成果較鄰近流域王道恒塔站成果更能體現(xiàn)本流域的洪水特性且更偏于安全，從安全角度，推薦以新廟站為設(shè)計依據(jù)站計算的設(shè)計斷面洪水成果。

4 河道演變分析

4.1 歷史演變

為了解整治段河道的演變情況，本次收集到1980年萬分之一地形圖和2003年千分之一地形圖，進行套繪從而得到兩個不同年代的萬分之一河勢演變套繪圖。從套繪圖上可以看出該段河道平面變化情況基本相同；據(jù)調(diào)查和踏勘，悖牛川大柳塔段河道多年來沒有出現(xiàn)過大的擺動，主流在100～200 m之間擺動。河道基本處于天然狀態(tài)，基本沒有變化，受人類活動影響較小，一直保持現(xiàn)狀。

4.2 近期演變

悖牛川屬于多泥沙河流，輸沙量主要集中在一場或幾場較大洪水。由于洪水年季分布不均，受來水影響，泥沙變化情況較大，所以河道斷面在年內(nèi)(年際)沖淤變化較為明顯。為進行河道縱向沖淤變化分析，將1980年與2003年河道各橫斷面上的最低點點繪在河道縱斷面圖上，可以看出，目前該段河道上段沖淤變化在2.90 m以內(nèi)，最大沖刷為2.90 m，最大淤積為1.50 m，沖刷范圍和深度大于淤積范圍和深度，說明該段河道在這段時間是下切的，但幅度不大，據(jù)當?shù)厝罕娊榻B，該段河道多年來一直保持現(xiàn)狀，從較長期來看該河段處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

4.3 河床沖淤變化

悖牛川洪枯流量變化大，據(jù)新廟水文站資料統(tǒng)計，年最大洪峰流量系列中最大為8150.000 m3/s(1989年)，最小洪峰流量為135.000 m3/s(2007年)，最大值是最小值的60倍，而最小枯水流量為0.003 m3/s，在枯水期或每年的汛期前，枯水流量在0.300～0.500 m3/s之間持續(xù)時間4個月左右，小于0.300 m3/s的枯水流量持續(xù)時間約3個月。

新廟站輸沙量年內(nèi)年際變化大，7—8月輸沙量占全年輸沙量的91%，6—9月為99%，實測年最大輸沙量與最小輸沙量之比為323。多年平均含沙量為136.2 kg/m3，多年平均7—8月含沙量為206.7 kg/m3，最大可達1410 kg/m3。

河床的沖淤變化是復雜的，它與河流的水、沙特性等諸多因素有關(guān)。繪制悖牛川新廟水文站1967年、1972年、1976年、1978年、1980年、1982年、1986年、1989年、2004年和2005年汛前實測大斷面圖，從圖上看，普遍規(guī)律表現(xiàn)為大水沖刷小水淤積，沖淤幅度不大，沖刷位置一般在起點15.00～125.00 m范圍內(nèi)，最大沖刷在起點28.00～45.00 m之間，年最大沖刷在0.42～3.35 m之間，場次洪水沖淤面積變化在3%～8%之間。從新廟水文站1967—2005年實測汛前大斷面資料統(tǒng)計分析，測驗橫斷面的沖淤基本平衡。

4.4 河道演變趨勢

悖牛川大柳塔段河道走向比較順直，河床演變幅度、變形速度都比較小。規(guī)劃河段長約13.6 km，河槽相對比較平順，河谷底寬650～1150 m，河床寬150～450 m，其河勢長期處于一種準平衡狀態(tài)。隨著陜北能源化工基地的開發(fā)進程的不斷加快，人類活動對河流的影響將會更加劇烈，河道渠化的速度必將加快。本工程整治段，在大昌汗溝入?yún)R處，發(fā)育著沖(洪)積扇，由于支溝洪水較小，對主流頂沖作用亦較小，深泓線將會有所擺動，但不影響主流的流向，加上整治河段堤防的控制，主流仍不會有較大偏離。因此整治河段在較長時期內(nèi)將保持河勢基本穩(wěn)定。

5 結(jié) 語

大柳塔悖牛川段洪水暴漲暴落，為了確保當?shù)孛旱V企業(yè)安全，以上游的新廟和王道恒水文站為參證站，利用年最大值法，作為頻率計算樣本，再采用面積比擬法，算出工程處不同頻率下的設(shè)計洪水，即100 a一遇、20 a一遇、10 a一遇洪水分別為9878 m3/s、5731 m3/s、4069 m3/s。由于該河段為沙質(zhì)河床，河床的沖淤存在著一個往復性的循環(huán)演變過程，但多年的沖淤情況基本趨于平衡。